-
Die Erfindung geht aus von einem Zylinder, insbesondere einem Hydrozylinder, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Derartige Zylinder weisen in der Regel ein Zylindergehäuse auf, in dem ein Kolben axial verschiebbar geführt ist. In dem Zylindergehäuse trennt der Kolben zwei Zylinderkammern voneinander. Ausgehend vom Kolben erstreckt sich eine Kolbenstange, die zumindest eine der Zylinderkammern vollständig durchsetzt und über eine Stangenführung aus dem Zylindergehäuse auskragt. In der Stangenführung können Dichtmittel, beispielsweise in Form von Dichtringen, vorgesehen sein. Des Weiteren kann der Kolben an seiner Außenmantelfläche ebenfalls Dichtmittel, insbesondere in Form von Dichtringen, aufweisen. Wird ein derartiger Zylinder bei sehr tiefen Umgebungstemperaturen, beispielsweise unter –40 °C, eingesetzt, so hat sich gezeigt, dass eine ausreichende Dichtung bei diesen Temperaturen nicht mehr möglich ist. Die üblichen Werkstoffe der Dichtmittel und die üblichen, insbesondere metallischen Werkstoffe des Zylinders, sind bei derartigen Temperaturen nicht mehr oder nur noch eingeschränkt einsetzbar. "Spezialwerkstoffe", die auch bei derart tiefen Temperaturen eine Funktionsfähigkeit des Zylinders ermöglichen, sind nachteilig äußerst kostenintensiv. Derartig extreme Temperatursituationen treten beispielsweise beim Einsatz des Zylinders im Bereich von Erdölpumpenantrieben auf.
-
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, derartige Zylinder aus üblichen Werkstoffen beispielsweise mit einer elektrischen Heizdecke zu erwärmen. Diese umgreift das Zylindergehäuse üblicherweise vollständig von außen in Umfangsrichtung. Derartige elektrische Heizdecken haben allerdings den Nachteil, dass sie in Explosionsschutzzonen nicht oder nur bedingt eingesetzt werden dürfen. Des Weiteren ist deren Anbringung vergleichsweise aufwändig.
-
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Zylinder zu schaffen, der kostengünstig herstellbar ist und der einen sicheren Start und/oder Betrieb bei sehr tiefen Temperaturen ermöglicht.
-
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Zylinder gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
-
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
-
Erfindungsgemäß ist ein Zylinder (Hydrozylinder) bzw. eine Zylindervorrichtung für die Anwendung bei tiefen Temperaturen vorgesehen. Dieser hat ein Zylindergehäuse mit einem darin axial verschiebbar geführten Kolben. Der Kolben trennt hierbei eine erste von einer zweiten Zylinderkammer fluidisch. Ausgehend von dem Kolben erstreckt sich eine Kolbenstange, die das Zylindergehäuse durchsetzt und aus diesem auskragt. Vorteilhafterweise ist ein Heizelement zum Erwärmen zumindest eines Abschnitts der Kolbenstange und/oder zumindest eines Abschnitts des Kolbens und/oder zumindest eines Abschnitts des Zylindergehäuses vorgesehen. Der Abschnitt der Kolbenstange und/oder der Abschnitt des Kolbens sind dann beispielsweise zusammen mit einem jeweiligen Abschnitt des Zylindergehäuses durch das Heizelement erwärmbar. Die Wärme wird über das Heizelement durch eine Wärmeträgerflüssigkeit zugeführt.
-
Diese Lösung hat den Vorteil, dass mit geringem Aufwand ein zumindest teilweise erwärmbarer Zylinder geschaffen ist, der auch im Bereich von Explosionsschutzzonen einsetzbar ist, da er nicht elektrisch erwärmt ist. Des Weiteren ist vorteilhaft, dass mit dem Heizelement nicht der gesamte Zylinder, sondern nur bestimmte Abschnitte bzw. ein bestimmter Abschnitt erwärmt sind. Als zu erwärmender Abschnitt oder als zu erwärmende Abschnitte ist/sind insbesondere dichtende Bereiche vorgesehen. Durch das Heizelement kann somit ein "Standardzylinder" für tiefe Temperaturen eingesetzt werden, bei denen bisher eine "Spezialkonstruktion" mit speziellen Werkstoffen notwendig war.
-
Denkbar wäre auch, die Wärmeträgerflüssigkeit zum Kühlen des Zylinders einzusetzen.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement vorzugsweise im Bereich einer Stangendichtung und/oder Stangenführung für die Kolbenstange und/oder im Bereich einer Kolbendichtung bzw. Kolbenführung für den Kolben angeordnet. Somit ist mit dem Zylinder ein Heizkreislauf realisiert, welcher vor allem die besonders kritischen Bereiche nahe oder bei den Führungs- und Dichtungselementen für eine sichere Inbetriebnahme des Zylinders erwärmt bzw. während des Betriebs in einem geeigneten Temperaturbereich hält. Dass die Funktion der Stangendichtung sicher gewährleistet ist, ist deswegen besonders wichtig, da entsprechende Undichtheiten zu einer Leckage nach außen führen würden.
-
Werden zwei Heizelemente eingesetzt, so können diese jeweils einen gemeinsamen oder einen separaten Heizkreis aufweisen.
-
Bevorzugterweise handelt es sich bei der Wärmeträgerflüssigkeit um ein Hydrauliköl. Somit kann das Heizelement kostengünstig mit dem gleichen Fluid wie der Zylinder betrieben werden. Es ist denkbar, das Hydrauliköl eines Hydraulikkreises des Zylinders oder einer benachbarten hydraulischen Einrichtung einzusetzen.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement als Heizbuchse ausgebildet, die das Zylindergehäuse umfasst. Die Heizbuchse begrenzt dann vorzugsweise zusammen mit dem Zylindergehäuse einen Fluid- bzw. Flüssigkeitsraum. Dieser kann mit der Wärmeträgerflüssigkeit beschickbar sein und aus diesem kann die Wärmeträgerflüssigkeit entlassbar sein. Vorzugsweise weist das Heizelement zur Wärmeträgerflüssigkeitsversorgung des Flüssigkeitsraums einen Zulauf- und einen Ablaufanschluss auf. Denkbar wäre auch, dass die Anschlüsse an oder in dem Zylindergehäuse ausgebildet sind. Bei der Heizbuchse handelt es sich um ein konstruktiv äußerst einfaches Zusatzbauteil, welche eine Grundkonstruktion des Zylinders nicht nachteilig beeinflusst. Es ist beispielsweise denkbar, die Heizbuchse an einem herkömmlichen Zylinder vorzusehen. Die warme Wärmeträgerflüssigkeit kann dann einfach durch den Zulaufanschluss in den, insbesondere schmalen Flüssigkeitsraum, einfließen, wo Wärme an die angrenzenden Bauteile abgegeben wird.
-
Mit Vorteil ist der Flüssigkeitsraum durch einen Aussparung in einer Innenwandung der Heizbuchse und/oder in einer Außenwandung des Zylindergehäuses gebildet. Somit ist der Flüssigkeitsraum in eine oder beide Anlageflächen zwischen der Heizbuchse und dem Zylindergehäuse eingebracht. Die Heizbuchse ist vorzugsweise hohlkreiszylindrisch oder kreisringförmig ausgestaltet. Als Aussparung kann eine Nut, beispielsweise eine Ringnut vorgesehen sein.
-
Damit ein großer Anteil der Wärme in den Zylinder eingeleitet wird, besteht die Heizbuchse im Wesentlichen oder vollständig aus einem Werkstoff, der eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit bzw. einen vergleichsweise geringen Wärmeübergang hat. Damit wird Wärme von der Wärmeträgerflüssigkeit ausgehend vom Flüssigkeitsraum kaum in die Heizbuchse, sondern in den daran angrenzenden Abschnitt des Zylindergehäuses eingeleitet. Alternativ oder zusätzlich kann die Heizbuchse eine Beschichtung aufweisen, die ebenfalls eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit bzw. einen geringen Wärmeübergang hat. Die Heizbuchse ist somit vorzugsweise thermisch isolierend ausgestaltet und/oder besteht aus einem im Wesentlichen thermisch isolierenden Werkstoff.
-
Damit ein größtmöglicher Anteil der Wärme in den gewünschten Bereich des Zylindergehäuses übergehen kann, besteht zumindest dieser Bereich im Wesentlichen aus einem Werkstoff, der eine vergleichsweise gute Wärmeleitfähigkeit bzw. einen guten Wärmeübergang hat. Als Bereich ist vorzugsweise der Bereich der Stangendichtung und/oder der Bereich der Kolbendichtung vorgehen. Zusätzlich oder alternativ kann das Zylindergehäuse zumindest im Bereich der Stangendichtung und/oder im Bereich der Kolbendichtung eine Beschichtung aufweisen, die eine vergleichsweise gut Wärmeleitfähigkeit bzw. einen vergleichsweise guten Wärmeübergang ermöglicht. Das Zylindergehäuse ist somit im Bereich der Stangendichtung und/oder im Bereich der Kolbendichtung vorzugsweise mit einem thermisch leitfähigen Material ausgebildet.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat das Zylindergehäuse für die Stangendichtung, die beispielsweise mehrere Dichtungsringe aufweist, und für die Stangenführung einen buchsenförmigen Gehäuseabschnitt. Dieser Gehäuseabschnitt kann dann vorzugsweise zumindest abschnittsweise aus dem thermisch leitfähigen Werkstoff bestehen und/oder zumindest abschnittsweise eine thermisch leitfähige Beschichtung aufweisen.
-
Der Gehäuseabschnitt bildet dann vorzugsweise mit der Heizbuchse eine, insbesondere vormontierte Einheit. Die Einheit kann dadurch zustande kommen, dass der Gehäuseabschnitt mit der Heizbuchse formschlüssig über eine Schraubverbindung, stoffschlüssig oder kraftschlüssig verbunden ist. Durch die Einheit aus Gehäuseabschnitt und Heizbuchse kann ein schneller Dichtungs- und/oder Dichtungssystemwechsel erfolgen. Alternativ ist denkbar, dass der Gehäuseabschnitt und die Heizbuchse einstückig ausgebildet sind.
-
Eine Geometrie des Flüssigkeitsraums kann derart ausgestaltet sein, dass eine Wärme bestmöglich zu den Stangendichtungen geleitet wird.
-
Der Gehäuseabschnitt ist beispielsweise ein Teil eines Zylinderkopfs des Zylinders oder bildet den Zylinderkopf.
-
Der Bereich der Kolbendichtung kann vorzugsweise ein Zylinderrohr des Zylindergehäuses sein, wobei das Zylinderrohr dann von der Heizbuchse umgriffen ist.
-
Die Heizbuchse umgreift dann das Zylinderrohr in Axialrichtung gesehen vollständig oder abschnittsweise. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Heizbuchse vorzugsweise im Bereich einer Endposition des Kolbens am Zylinderrohr positioniert.
-
Als Dichtungen können der Kolben in seiner Außenmantelfläche und/oder der Gehäuseabschnitt für die Stangendichtung in seiner Innenmantelfläche zumindest eine Ringdichtung aufweisen.
-
Mit Vorteil ist eine Vorrichtung zur Temperaturerfassung vorgesehen. Hierbei ist denkbar, dass beim Unterschreiten einer vorbestimmten Temperatur das Heizelement eingesetzt ist.
-
Bei der Vorrichtung zur Temperaturerfassung handelt es sich beispielsweise um einen Temperatursensor, der dann mit einer Steuerung zum Steuern des Heizelements verbunden ist. Zusätzlich oder alternativ können ein Thermoventil, ein Temperaturschalter und/oder ein Thermostat vorgesehen sein.
-
Mit der Vorrichtung zur Temperaturerfassung kann das Heizelement selbsttätig, das heißt ohne einen manuellen Eingriff, bei Bedarf aktivierbar sein.
-
Die Temperatur wird vorzugsweise ausgangsseitig vom Flüssigkeitsraum erfasst.
-
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in einem Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Zylinder gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
Gemäß der Figur ist ein Zylinder 1 bzw. eine Zylindervorrichtung dargestellt. Bei dem Zylinder 1 handelt es sich um einen Hydrozylinder, der für tiefe Temperaturen einsetzbar ist. Dieser hat ein Zylindergehäuse 2 mit einem Zylinderrohr 4. Das Zylinderrohr 4 ist mit einem Zylinderboden 6 und einem Zylinderkopf 8 verschlossen. In dem Zylinderrohr 4 ist ein Kolben 10 axial gleitbar geführt. Mit dem Kolben 10 ist eine Kolbenstange 12 verbunden, die sich ausgehend von diesem axial erstreckt. Der Kolben 10 trennt in dem Zylinderrohr 4 eine erste Zylinderkammer 14 von einer zweiten Zylinderkammer 16. Die Kolbenstange 12 durchsetzt dabei die erste Zylinderkammer 14, womit in dieser ein ringförmiger Fluidraum ausgebildet ist. Des Weiteren durchsetzt die Kolbenstange 12 den Zylinderkopf 8 über eine etwa zylindrische Durchführung 18.
-
An den Zylinderkopf 8 schließt sich an eine weg vom Kolben 10 weisenden Anlagefläche 20 ein Gehäuseabschnitt 22 an. Dieser wird ebenfalls von der Kolbenstange 12 über eine Durchführung 24 durchsetzt, wobei die Kolbenstange 12 dann aus dem Gehäuseabschnitt 22 nach außen auskragt. In den Durchführungen 18 und 24 sind jeweils Dichtmittel und Gleitmittel vorgesehen. Die Dichtmittel, die eine Leckagefreiheit zur Außenumgebung sicher stellen, sind hierbei als Ringdichtungen ausgebildet, wobei zwei Ringdichtungen 26 in der Durchführung 24 vorgesehen sind. Die Gleitmittel sind als Gleitringe 27 ausgebildet und dienen zur gleitenden Führung der Kolbenstange 12
-
Der Kolben 10 weist an seiner Außenmantelfläche ebenfalls Dichtmittel in Form einer Ringdichtung 28 auf und zwei Gleitringe 27, wobei in Axialrichtung gesehen, die Ringdichtung 28 zwischen den Gleitringen 27 angeordnet ist.
-
Der Zylinderkopf 8 taucht mit einem Axialbund 30 in das Zylinderrohr 4 ein, wobei eine zum Kolben 10 weisende Ringstirnfläche 32 des Axialbunds 30 dann als Anlagefläche bzw. Anschlagsfläche für den Kolben 10 dient. Eine weitere Anschlags- bzw. Anlagefläche bildet eine in der zweiten Zylinderkammer 16 vorgesehener Axialbund 34 des Zylinderbodens 6 aus, wobei der Axialbund 34 ebenfalls in das Zylinderrohr 4 eingetaucht ist. Als Anschlagsfläche ist dann die zum Kolben 10 weisende Ringstirnfläche 36 des Zylinderbodens 6 vorgesehen. Die Innenmantelfläche 40 des Zylinderbodens 6 begrenzt eine sacklochförmige Aussparung, in die in radialer Richtung ein Druckanschluss 42 mündet. Ein weiterer Druckanschluss ist im Bereich des Zylinderkopfs 8 vorgesehen. Der Zylinderkopf 8 hat ebenfalls eine etwa sacklochförmige Aussparung 44, in die radial ein Druckanschluss 46 mündet. Über den Druckanschluss 42 kann die zweite Zylinderkammer 16 mit Druckmittel bzw. Hydrauliköl beschickt werden oder es kann aus der zweiten Zylinderkammer 16 Druckmittel entlassen werden. Über den Druckanschluss 46 ist dann die erste Zylinderkammer 14 mit Druckmittel beschickbar oder es kann aus dieser Druckmittel entlassen werden.
-
Zum Erwärmen des Zylinders 1 im Bereich seiner Dichtmittel 26, 28 sind ein erstes und zweites Heizelement 48, 50 vorgesehen. Das erste Heizelement 48 ist als Heizbuchse ausgebildet und hat eine im Wesentlichen kreiszylindrische Innenmantelfläche 52. In diese taucht der Zylinderkopf 8 mit einem vom Axialbund 30 wegweisenden Axialbund 54 dichtend ein. Des Weiteren umgreift das erste Heizelement 48 den Gehäuseabschnitt 22, dessen maximaler Außendurchmesser etwa den maximalen Außendurchmesser des Axialbunds 54 entspricht. Der Gehäuseabschnitt 22 hat einen Radialbund 56, der mit seiner in Richtung des Kolbens 10 weisenden Ringfläche 58 am ersten Heizelement 48 anliegt. Der Radialbund 56 dient dann als Flansch, der über Schrauben 60 mit dem ersten Heizelement 48 verbunden ist.
-
In den Gehäuseabschnitt 22 ist in einem Abschnitt des vom ersten Heizelement 48 umgriffenen Bereichs eine Ringnut 62 eingebracht, die als Flüssigkeitsraum zur Aufnahme einer Wärmeträgerflüssigkeit dient. In axialer Richtung gesehen ist die Ringnut 62 von dem Radialbund 56 des Gehäuseabschnitts 22 und von dem Axialbund 54 des Zylinderkopfs 8 beabstandet. Zur fluidischen Verbindung des durch die Ringnut 62 gebildeten Flüssigkeitsraums sind in dem ersten Heizelement 48 etwa in radialer Richtung ein Zulaufanschluss 64 und ein Ablaufanschluss 66 vorgesehen. Das erste Heizelement 48 weist ebenfalls einen Flansch 68 auf, mit dem der Zylinder 1 befestigt werden kann. Das erste Heizelement 48 und der Zylinderkopf 8 werden über übliche Mittel 70 am Zylinder 1 befestigt. Das erste Heizelement 48 und der Gehäuseabschnitt 22 bilden vorzugsweise eine Einheit. Der Gehäuseabschnitt 22 kann beispielsweise aus einem gut wärmeleitfähigen und einem einen hohen Wärmeübergang aufweisenden Material bestehen, während das erste Heizelement 48 vorzugsweise aus einem eine geringe Wärmeleitfähigkeit und einem einen geringen Wärmeübergang aufweisenden Material gebildet ist. Durch den thermisch gut leitfähigen Gehäuseabschnitt 22 kann dann Wärmeflüssigkeit von dem durch die Ringnut 62 gebildeten Flüssigkeitsraum zu den Dichtmitteln 26 bzw. der Durchführung 24 geführt werden. Eine warme Wärmeträgerflüssigkeit wird dann über den Zulaufanschluss 64 zur Ringnut 62 zugeführt und über den Ablaufanschluss 66 abgeführt.
-
Das zweite Heizelement 50 ist ebenfalls als Heizbuchse ausgestaltet und umfasst das etwa hohlzylindrische Zylinderrohr 4. Eine Breite des Heizelements 50 in Axialrichtung gesehen ist etwa in der Größenordnung einer Breite des Kolbens 10. Das zweite Heizelement 50 ist mit üblichen Mitteln am Zylinderrohr 4 befestigt. In eine etwa kreiszylindrisch ausgestaltete Innenmantelfläche 72 des zweiten Heizelements 50 ist eine Ringnut 74 eingebracht. Diese ist in axialer Richtung gesehen von den voneinander wegweisenden Ringflächen 76 und 78 des buchsenförmigen zweiten Heizelements 50 beabstandet. Die Ringnut 74 begrenzt zusammen mit einer Außenmantelfläche 80 des Zylinderohrs 4 einen Flüssigkeitsraum. Zur Zuführung von Wärmeträgerflüssigkeit in den Flüssigkeitsraum ist radial in das zweite Heizelement 50 ein Zulaufanschluss 82 und zur Entnahme von Wärmeträgerflüssigkeit ebenfalls radial in das Heizelement 50 ein Ablaufanschluss 84 eingebracht. Über in das zweite Heizelement 50 eingebrachte Dichtmittel ist der durch die Ringnut 74 gebildete Flüssigkeitsraum axial abgedichtet.
-
Liegt der Kolben 10 an der als Anschlagsfläche dienenden Ringstirnfläche 36 des Zylinderbodens 6 an, so ist er mit seinen Dichtmitteln im Bereich der Ringnut 74 des zweiten Heizelements 50 angeordnet. Das Heizelement 50 besteht vorzugsweise entsprechend dem ersten Heizelement 48 aus einem thermisch isolierenden Werkstoff. Zum Erwärmen des Kolbens 10 bzw. seiner Dichtmittel 28 wird warme Wärmeträgerflüssigkeit über den Zulaufanschluss 82 zum durch die Ringnut 74 gebildeten Flüssigkeitsraum zugeführt und über den Ablaufanschluss 84 abgeführt.
-
Die Anschlüsse 64 und 66 bzw. 82 und 84 des ersten Heizelements 48 bzw. zweiten Heizelements 50 sind möglichst weit in Umfangsrichtung gesehen voneinander beabstandet, damit die in den jeweiligen Flüssigkeitsraum eintretende Wärmeträgerflüssigkeit einen möglichst langen Weg zum jeweiligen Ablaufanschluss 66 bzw. 84 zurücklegt, um möglichst viel Wärme abzugeben.
-
Die Heizelemente 48, 50 können über einen gemeinsamen fluidischen Kreis mit Wärmeträgerflüssigkeit verbunden sein. Alternativ ist denkbar, diese jeweils mit einem eigenen Kreis mit Wärme zu versorgen. Wird als Wärmeträgerflüssigkeit Hydrauliköl eingesetzt, so können die Heizelemente 48 und 50 beispielsweise auch mit dem hydraulischen Kreis des Zylinders 1 oder einer benachbarten hydraulischen Komponente eingesetzt werden.
-
Im Ablaufanschluss 66 des ersten Heizelements 48 oder stromabwärts von diesem ist ein Temperatursensor 86 vorgesehen, der die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit erfasst. Mit der erfassten Temperatur können das erste Heizelement 48 oder beide Heizelemente 48, 50 gesteuert sein. Alternativ ist denkbar, einen zusätzlichen Sensor für die aus dem zweiten Heizelement 50 strömende Wärmeträgerflüssigkeit vorzusehen. Auch ist denkbar, den Temperatursensor 86 nur für die Erfassung der Temperatur der aus dem zweiten Heizelement 50 strömenden Wärmeträgerflüssigkeit einzusetzen.
-
Offenbart ist eine Zylindervorrichtung mit einem Heizelement zum Erwärmen eines Abschnitts der Zylindervorrichtung oder der gesamten Zylindervorrichtung, wobei das Heizelement mit einer Wärmeträgerflüssigkeit betrieben ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Zylinder
- 2
- Zylindergehäuse
- 4
- Zylinderrohr
- 6
- Zylinderboden
- 8
- Zylinderkopf
- 10
- Kolben
- 12
- Kolbenstange
- 14
- Zylinderkammer
- 16
- Zylinderkammer
- 18
- Durchführung
- 20
- Anlagefläche
- 22
- Gehäuseabschnitt
- 24
- Durchführung
- 26
- Dichtmittel
- 27
- Gleitring
- 28
- Dichtmittel
- 30
- Axialbund
- 32
- Ringstirnfläche
- 34
- Innenbuchse
- 36
- Ringstirnfläche
- 38
- Innenmantelfläche
- 40
- Innenmantelfläche
- 42
- Druckanschluss
- 44
- Aussparung
- 46
- Druckanschluss
- 48
- erstes Heizelement
- 50
- zweites Heizelement
- 52
- Innenmantelfläche
- 54
- Axialbund
- 56
- Radialbund
- 58
- Ringfläche
- 60
- Schrauben
- 62
- Ringnut
- 64
- Zulaufanschluss
- 66
- Ablaufanschluss
- 68
- Flansch
- 70
- Mittel
- 72
- Innenmantelfläche
- 74
- Ringnut
- 76
- Ringfläche
- 78
- Ringfläche
- 80
- Außenmantelfläche
- 82
- Zulaufanschluss
- 84
- Ablaufanschluss
- 86
- Temperatursensor
